高保真音頻的測試及最新半導(dǎo)體解決方案

美國國家半導(dǎo)體公司想要向我展示一些產(chǎn)品，這些產(chǎn)品已經(jīng)為那些要求音頻系統(tǒng)絕對完美的消費(fèi)者進(jìn)行了優(yōu)化，他們是硬核、雙揚(yáng)聲器的高保真音響愛好者。這些產(chǎn)品包括一系列具有極低失真的高壓運(yùn)算放大器以及音頻功率放大器的驅(qū)動器。二者都旨在取代高端高保真前置放大器以及放大器中的大量分立元件。設(shè)計(jì)高端音頻系統(tǒng)的工程師仍堅(jiān)持采用分立器件，而國家半導(dǎo)體公司已開始轉(zhuǎn)變他們的思路。

國家半導(dǎo)體公司成立了一個(gè)聽覺上理想的音響室，其具備一副Wilson Audio公司的專業(yè)Watt-Puppy揚(yáng)聲器以及在新芯片周圍構(gòu)建了參考設(shè)計(jì)模擬音頻鏈。它還有其自己的CD來展示忠實(shí)信徒所尊崇的特色，但我也應(yīng)邀提供了自己的光碟。于是，我從汽車遮陽板的架子上取了一片貝多芬鋼琴奏鳴曲的光碟。三角鋼琴是一種微妙的樂器，而貝多芬鋼琴奏鳴曲不可能進(jìn)行很多的后處理“增強(qiáng)”。

我的期望很低，因?yàn)槲业穆犃σ恢痹陔S年齡、汽車、飛機(jī)、摩托車而減弱。明知如此，我走進(jìn)聽音間，其價(jià)值2.6萬美元的揚(yáng)聲器連接到國家半導(dǎo)體公司定制的電子設(shè)備上，這對我50美元的耳朵而言簡直是矯枉過正了。也就是說，我認(rèn)為對我個(gè)人使用而言，50美元是花在耳機(jī)或揚(yáng)聲器上的全部費(fèi)用。而結(jié)果呢？我被所聽到的一切嚇了一跳。

對于國家半導(dǎo)體公司的演示錄音，我能分辨出那個(gè)高音最長。我還可以聽到歌手嘴唇發(fā)出的聲音，這是當(dāng)你分開嘴唇而又有些唾液在它們上面時(shí)發(fā)出的聲音。在我的貝多芬CD上，我能聽到踏板的動作并非是機(jī)械作用，而作為藝術(shù)家腳下的踩踏有著不同的聲調(diào)——這剛好踩在拍子上。

我感到困惑。我所知道的有關(guān)“金耳朵”最多的事，是一個(gè)人可以不帶耳機(jī)聽到這些聲音。我又是如何可以從聽了幾百次的錄音中聽得到這么多新的聲音呢？我向國家半導(dǎo)體公司資深音頻應(yīng)用工程師以及該聽音室的創(chuàng)建人Mark Brasfield提出了這一問題(圖1)。

有趣的是，Brasfield承認(rèn)說，他也有聽力損失。但他說，根據(jù)產(chǎn)業(yè)研究顯示，到了某一程度，聽力敏銳程度下降的人，實(shí)際上能比具有完美聽力的人聽到更多的高端音頻。

專業(yè)測試

我向測試設(shè)備生產(chǎn)商Audio Precision公司創(chuàng)建人兼總裁Bruce Hofer表示，希望了解哪種測試可以用于對比音頻系統(tǒng)(參見www.electronicdesign.com上的 “The Challenges Of Audio Testing”一文)。Audio Precision公司大概是最受矚目的純音頻測試設(shè)備生產(chǎn)商(圖2)。但如果我希望進(jìn)行明確的度量，Hofer的話令我感到氣餒。

“經(jīng)過三十年的時(shí)間到現(xiàn)在，人們認(rèn)識到對耳朵和大腦系統(tǒng)并不了解，”Hofer說。“在Audio Precision公司，我們對音頻設(shè)備都作客觀度量。但世界也就是有關(guān)知覺和度量，其中，就其本質(zhì)而言，是不會完全跟蹤你真正試圖測定的事物?！?/P>

Hofer表示，Audio Precision公司沒有音頻失真分析，也就是說目前僅僅是“大/好/壞”。他的測試設(shè)備只簡單提供數(shù)量和性能的測量，通常沿不同的軸進(jìn)行削減，例如頻率響應(yīng)、失真因子或噪音等。Hofer說，盡管這些指標(biāo)全部有效，但耳朵的行為則比這更為微妙得多。

許多公司和研究人員在其評測中采用人體，而不是高精密測試設(shè)備。Hofer說，最好的例子包括Fraunhofer和杜比(Dolby)公司，他們采用人體來收聽真實(shí)的錄音以測量有損壓縮算法對真實(shí)性能的捕獲效果如何(參見“Testing For Audio Transparency”一文)。

Hofer解釋說，Audio Precision公司的分析師所做的分析測量是要通過描述高度數(shù)學(xué)定義的信號來避免主觀測量的失敗。描述與原始數(shù)學(xué)定義信號有關(guān)的失真、交流噪聲、噪聲的影響是一個(gè)直截了當(dāng)?shù)倪^程。

“但即使這樣，如果你以數(shù)字化對廣泛的多頻音輸入進(jìn)行錄音，測量將顯示出某些音調(diào)會完全丟失，而不是減弱，”Hofer說?！坝袚p壓縮算法要在信號的某些部分不浪費(fèi)任何數(shù)據(jù)位，這是因?yàn)檫@些部分不滿足可聽性的閾值”。

如果對算法進(jìn)行真正優(yōu)化，即使采用模擬測試設(shè)備，人的耳朵和大腦也不會注意到丟失的信息。

其它觀點(diǎn)

因此，如果設(shè)計(jì)師不能明確與主觀經(jīng)驗(yàn)有關(guān)的客觀測量，那該怎么辦？很顯然，大多數(shù)公司關(guān)注功率效率與集成度水平。

我曾與一些國半的競爭對手就模擬音頻芯片市場進(jìn)行過對話，而他們中沒有人追求極端的高保真音響市場。相反，他們重點(diǎn)關(guān)注手機(jī)、個(gè)人媒體播放器以及家庭影院。大部分公司認(rèn)為，聽力感受最直接的比較是不可能的。

他們說，談到面向耳塞/耳機(jī)的設(shè)備，例如MP3和AAC播放器，這種對比尤其是不可能的。這部分是因?yàn)榻拥交蛟诙鋬?nèi)的實(shí)際聲能轉(zhuǎn)換器的貢獻(xiàn)，這是明顯比信號鏈上任何電子元件要高得多。

這也是不可能的，一部分是因?yàn)榻?jīng)過處理的數(shù)字信號以各種方式欺騙耳朵。舉例來說，數(shù)字處理試圖使你覺得你所聽到的聲源就在你面前的某處，而不是在你頭的中間，而這正是你所聽到的一個(gè)純立體聲信號。其實(shí)，在相當(dāng)程度上，F(xiàn)raunhofer和杜比算法可以模擬一套像樣的耳機(jī)或高端耳塞所具備的完整環(huán)繞聲。

考慮到這一點(diǎn)，其它芯片公司已有最新的模擬音頻產(chǎn)品發(fā)布。(包括將D類放大器作為“模擬”類別的一部分)。

德州儀器已推出許多新型芯片，其中有不少D類功率放大器。舉例來說，TI目前交付的其DRV600立體聲600Ω線路驅(qū)動器，其在輸入和輸出無需耦合電容。

對于驅(qū)動揚(yáng)聲器而言，并非是600ω線路，TI的TAS5162立體聲數(shù)字放大器功率級可驅(qū)動6Ω橋接負(fù)載(BTL)每信道高達(dá)210W僅具有10％的總諧波失真。其效率大于90％。對最大動態(tài)范圍而言，它可以分別工作在12V和50V電源下。對低輸出水平的要求，TI的TAS5176可以在每信道15W下驅(qū)動六個(gè)信道或在每信道30W下驅(qū)動三個(gè)信道。兩種芯片只需要簡單的LC輸出濾波器來消除D級脈沖調(diào)制信號。

TI的TAS5414和TAS5424四信道數(shù)字音頻放大器定位于汽車頭燈及外部放大器模塊的使用。這兩款放大器在不到1%的THD+N下提供了四個(gè)連續(xù)4Ω的23W信道或在30W下2Ω的揚(yáng)聲器。其區(qū)別在于TAS5414具有單端輸入，而TAS5424是差分輸入。

為進(jìn)一步加強(qiáng)信號鏈，集成至為關(guān)鍵。TI用于數(shù)碼相機(jī)的TLV320AIC3101是一款具有立體聲耳機(jī)放大器的低功耗立體聲音頻編解碼器、數(shù)控立體聲麥克風(fēng)前置放大器，以及自動增益控制放大器(AGC)，其在多模擬輸入之間具有混合/多工功能。

該芯片的可編程濾波器可以消除變焦馬達(dá)噪音。重放通路包括來自立體聲數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)和選定輸入的混合/多工功能，通過可編程音量控制到不同輸出。

亞德諾半導(dǎo)體公司(ADI)也一直從事D類放大器的開發(fā)。ADAU1590和ADAU1592是具有sigma-delta調(diào)制器來驅(qū)動脈沖調(diào)制的雙通道BTL功率放大器。這使得微控制器與控制復(fù)位、靜音、可編程增益放大器(PGA)增益以及故障報(bào)告輸出信號進(jìn)行接口。對于采用單獨(dú)的調(diào)制器，ADAU1513是基本的雙通道功率級。

美信(Maxim)集成產(chǎn)品公司提供了揚(yáng)聲器驅(qū)動器入口，但其并非D類器件。相反，美信公司公布了兩款G類揚(yáng)聲器放大器MAX9730和MAX9788。前者是通用的；而后者是對驅(qū)動陶瓷揚(yáng)聲器進(jìn)行了優(yōu)化的。

G類放大器有一個(gè)類似A-B類的推拉級，但其增加了第二個(gè)更高電壓的電源，該電源只有在信號峰超越預(yù)設(shè)的水平時(shí)才去掉。在MAX9730情況下，將通過3.3V電源驅(qū)動2.4W的8ω負(fù)載。壓電式揚(yáng)聲器是不同的，因?yàn)槠湫枰蟮碾妷簲[幅來達(dá)到足夠的偏轉(zhuǎn)以移動足夠的空氣來產(chǎn)生大的噪音。該芯片的電荷泵在5.5V直流下可以提供大于700mA峰值輸出電流，這保證了輸出到14V峰-峰值的壓電式揚(yáng)聲器。

對于數(shù)碼相機(jī)音頻錄音，美信宣布了具有自動增益控制(AGC)低噪聲麥克風(fēng)偏置的MAX9814麥克風(fēng)放大器。集成AGC讓設(shè)計(jì)師在數(shù)字信號處理之前優(yōu)化信號水平。該器件還集成了低噪聲前置放大器、可變增益放大器(VGA)、輸出放大器和一個(gè)內(nèi)部低噪音駐極體麥克風(fēng)偏壓發(fā)生器。

高保真音響的背后

國半的展示圍繞兩款產(chǎn)品進(jìn)行。首先其是一對具有0.00003%典型THD+N(保證最高是0.00009%)的音頻運(yùn)算放大器系列。其他性能指標(biāo)包括了2.7nV/√Hz輸入噪聲密度，60Hz 1/f噪聲角，20V/μs擺率，以及55MHz增益帶寬。

44V LME49860雙運(yùn)算放大器具有兩種不同封裝，34V LME4978x0具有單個(gè)、四個(gè)和兩個(gè)運(yùn)放的版本。額定±22V的LME49860單位增益穩(wěn)定下降到±2.5V。超過這一電源范圍，放大器保持共模抑制比(CMRR)及電源抑制比(PSRR)優(yōu)于120dB并且典型輸入偏置電流為10nA。

在輸入端，LME49860每個(gè)電源可以擺幅在1V之內(nèi)驅(qū)動2kΩ負(fù)載或在1.5V之內(nèi)驅(qū)動600Ω負(fù)載。LME49710、LME49720和LME49740放大器具有更低的工作電壓以及類似的指標(biāo)。

另一款新產(chǎn)品LME49810是一款單片200V音頻功率放大器驅(qū)動器，其具有集成的Baker鉗位。類似運(yùn)算放大器，每個(gè)LME49810可以在高端高保真音響系統(tǒng)中替代數(shù)十個(gè)手工挑選并配對的分立器件。該LME49810的功能是驅(qū)動高達(dá)50mA的大功率分立輸出三極管，為系統(tǒng)提供高達(dá)3kW的功率。當(dāng)實(shí)現(xiàn)完整的功率放大器設(shè)計(jì)時(shí)，典型的THD+N為0.0007％。其他指標(biāo)包括50V/μs的擺率以及110dB的PSRR。

Baker鉗位處理輸入信號峰值。通過連接在三極管基極和集電極之間的二極管陣列來實(shí)現(xiàn)。其還避免了集電極-發(fā)射級結(jié)的飽和，通過消除高頻毛刺信號來裁剪不太明顯的信號，這些毛刺信號發(fā)生在晶體管從飽和區(qū)恢復(fù)過來的時(shí)候。

在國半的聽音間，除CD播放器外所有的電子產(chǎn)品都是定制的。該運(yùn)算放大器是在DAC信號路徑(每個(gè)立體聲信道是四個(gè))中使用的，以及電源穩(wěn)壓器。顯然，音頻功率放大器驅(qū)動器是在功率放大器中的。商業(yè)生產(chǎn)的成本是多少？

Brasfield估計(jì)，目前國半的產(chǎn)品原型售價(jià)約為每個(gè)300美元，為信號鏈電子部件帶來幾千美元的成本。這不包括揚(yáng)聲器。不幸的是， Brasfield表示W(wǎng)ilson Audio Specialties公司已通知他說，這些26,000美元一對的Watt Puppies已經(jīng)過時(shí)，并且其替代品會使得整個(gè)成本更高。